FR3083315A1 - Cellule de caracterisation d'ecoulement de mousse en milieu poreux - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne une cellule de caractérisation (100) de l'écoulement de fluides en milieu poreux. Elle est notamment utilisée pour les techniques de récupération assistée d'hydrocarbures, également appelée EOR. La cellule (100) comprend une partie fixe externe et une partie mobile en rotation, à l'intérieur de la partie fixe. Ainsi, la rotation de la partie mobile peut être continue et infinie. L'écoulement de fluide est possible même lorsque la partie mobile interne est en rotation. L'invention concerne également un système de caractérisation de mousse en milieu poreux, notamment pour caractériser l'écoulement de mousse. Ce système intègre une cellule (100) telle que définie précédemment et un moyen de tomographie à rayons X. La partie mobile de la cellule peut alors être en rotation continue et permettre ainsi une meilleure précision des images tomographiques.

Description

La présente invention concerne le domaine de la caractérisation de fluides en milieu poreux ou granulaire. La caractérisation peut se faire en situation quasi-statique ou en situation d’écoulements de fluides dans le milieu poreux. Elle s’applique à tous types de fluides ou mélange de fluides, notamment aux fluides complexes tels que les mousses.
La caractérisation du milieu poreux en présence de fluides, en situation quasi-statique ou en situation d’écoulement, est particulièrement intéressante pour les applications de récupération assistée d’huiles, également appelées EOR (« Enhanced Oil Recovery ») ou pour l’assainissement de sols contaminés.
L’observation de la dynamique des écoulements multiphasiques ou de fluides complexes, comme les mousses par exemple, dans des milieux poreux ou granulaires permet de décrire et comprendre les mécanismes mis en jeu aux différentes échelles et notamment à l’échelle du pore. Par la suite, le terme « milieu poreux » désigne un milieu poreux ou un milieu granulaire.
La tomographie à rayons X, également appelée tomographie X, est basée sur l’acquisition d’une série continue de radiographies X prises pendant la rotation de l’objet, à différentes positions angulaires. L’image 3D de l’objet peut être reconstituée grâce à la tomographie à rayons X. La microtomographie X, effectuée au synchrotron, est une technique de tomographie à rayons X, non invasive, qui permet de décrire des écoulements de fluides dans un milieu opaque avec une résolution temporelle de l'ordre de la seconde et une résolution spatiale inférieure au micron.
L’utilisation de la tomographie X haute résolution dans le cadre des écoulements de fluides en milieux poreux a été utilisée par le passé par différents auteurs.
S. Youssef, D. Bauer, S. Bekri, E. Rosenberg, O. Vizika, éds. (2009) “Towards a better understanding of multiphase flow in porous media: 3d in-situ fluid distribution imaging at the pore scale”, the International Symposium of the Society of Core Analysts. Noordwijk, The Netherlands, 27-30 September » et Oughanem, Rezki (2013), « Étude multi-échelles des courbes de désaturation capillaire par tomographie RX », http://www.theses.fr/2013ISAL0166 » décrivent les saturations et les distributions des fluides à l’échelle du pore sur des échantillons de roches, en utilisant une cellule classique de type Hassler pour la tomographie X. Le système est alors limité à quelques rotations (ou une seule) à cause des tubes d’arrivées et sorties de fluides. En effet, les entrées/sorties d’alimentation de fluides arrivant sur la cellule limite la rotation libre de celle-ci. La rotation maximale de la cellule est alors dépendante des longueurs et types de tuyauteries reliées à ces entrées/sorties de fluide. Pour pallier à cette difficulté, le sens de rotation de la cellule est inversé tous les 180° ou tous les 360°.
La vitesse de rotation et, par conséquent, l’incrément angulaire entre chaque radiographie X est moins précis que dans le cas d’une rotation continue, en particulier à des vitesses de l’ordre de la seconde et des résolutions inférieures au micromètre. Il en résulte que l’acquisition d’images tomographiques est de moindre qualité.
S. Berg, H. Ott, S. A. Klapp, A. Schwing, R. neiteler, N. Brussee, A. Makurat, L. Leu, F. Enzmann, J-O. Schwarz, M. Kersten, S. Irvine et M. Stampanoni (2013) « Real-time 3D imaging of Haines jumps in porous media flow >>, PNAS ont réalisé des cycles de drainage et d’imbibition huile/eau dans un grès de Berea en utilisant une pompe avec des micro-pistons intégrés dans la cellule.
Afin de pallier ces inconvénients, la cellule de caractérisation de fluides en milieu poreux selon l’invention comprend une partie fixe et une partie mobile. Le milieu poreux est contenu dans la partie mobile, de manière à pouvoir effectuer une rotation continue et infinie du milieu poreux. La partie fixe entoure la partie mobile et comprend une embase supérieure, une embase inférieure et un corps central, le corps central reliant les embases supérieure et inférieures, positionnées à chacune des extrémités du corps central. Les embases supérieure et inférieure comprennent les entrées/sorties de fluide, l’entrée étant dans l’une des embases et la sortie dans l’autre embase, de manière à ce que le fluide se dirige d’une embase vers l’autre, via des moyens de circulation de fluide compris à la fois dans la partie fixe et dans la partie mobile. Ainsi, le fluide entre dans une embase de la partie fixe, puis pénètre dans la partie mobile, se dirige à travers la partie mobile, dans une direction longitudinale, vers la deuxième embase et ressort de cette deuxième embase par la sortie, contenue dans la deuxième embase. Lorsqu’il passe dans la partie mobile, le fluide traverse le milieu poreux, contenu dans la partie mobile.
La partie mobile est libre en rotation, par rapport à la partie fixe, autour de son axe longitudinal. Ainsi, des mesures (par exemple tomographie à rayons X ou microtomographie X, effectuée au synchrotron) peuvent par exemple être réalisées lors de la rotation, à différentes positions angulaires, sans arrêter la rotation, ni la circulation de fluide.
L’invention concerne également un appareil de caractérisation des écoulements de fluides en milieu poreux comprenant une cellule comme définie précédemment, un moyen de mise en rotation de la partie mobile, par exemple un moteur. Le moteur permet de commander la partie mobile, pour la mise en rotation du milieu poreux. Il peut également comprendre une source X et un détecteur de rayons X, pour la tomographie à rayons X ou la microtomographie X réalisée au synchrotron.
En outre, l’invention concerne un système de caractérisation d’écoulement de mousse en milieu poreux comprenant un appareil de caractérisation tel que défini précédemment et des réservoirs de liquide et/ou gaz et/ou tensioactifs, ainsi qu’un moyen de moussage, tel qu’un mousseur. Ainsi, ce système permet de caractériser le comportement de mousses dans le milieu poreux. De plus, la position angulaire des images tomographiques est plus précise, aucun ralentissement et/ou arrêt ne pouvant générer de l’imprécision. De ce fait, l’acquisition des images tomographiques est d’une qualité supérieure. De plus, la résolution spatiale et la résolution temporelle du système peuvent atteindre les résolutions spatiale et temporelle de l’appareil de tomographie X, ce qui est particulièrement intéressant pour la microtomographie X réalisée au synchrotron, les résolutions spatiales et temporelles étant de respectivement inférieures au micromètre et de l’ordre de la seconde.
Le dispositif selon l’invention
L’invention concerne une cellule de caractérisation de fluides en milieu poreux comprenant une partie fixe et une partie mobile, ladite partie mobile recevant le milieu poreux, ladite partie fixe entourant ladite partie mobile, ladite partie fixe comprenant une embase supérieure, une embase inférieure et un corps central, une entrée de fluide étant comprise dans l’une desdites embases et au moins une sortie de fluide étant comprise dans l’une desdites embases, ladite partie fixe et ladite partie mobile comprenant des moyens de circulation de fluide depuis l’entrée vers la sortie en passant par ledit milieu poreux contenu dans ladite partie mobile. Ladite partie mobile est libre de rotation autour de son axe longitudinal par rapport à ladite partie fixe.
Selon un mode de réalisation de l’invention, lesdites embases supérieure et inférieure, ledit corps central et ladite partie mobile sont sensiblement cylindriques, lesdites embases supérieure et inférieure, ledit corps central et ladite partie mobile étant coaxiaux avec l’axe longitudinal de ladite partie mobile.
De préférence, lesdits moyens de circulation comprennent au moins un volume annulaire situé à l’interface entre la partie fixe et la partie mobile, au niveau de chacune desdites embases supérieure et inférieure, ledit volume annulaire étant configuré pour contenir ledit fluide et pour la circulation dudit fluide entre la partie fixe et la partie mobile.
Avantageusement, au moins une portion de ladite partie mobile est transparente aux rayons X, de préférence le matériau de ladite portion est en PolyEtherEtherKetone (PEEK) ou en carbone et/ou en matériau composite comprenant des fibres de carbone .
Selon une variante de l’invention, ladite partie mobile comprend un tube central de diamètre interne compris entre 1 et 10 mm, ledit tube central recevant ledit milieu poreux.
Selon une autre variante de l’invention, au moins une desdites embases de ladite partie fixe comprend au moins un moyen de mesure, de préférence ledit moyen de mesure est un moyen de mesure de pression et/ou de température.
Conformément à une mise en œuvre de l’invention, ladite cellule comprend au moins un moyen d’étanchéité entre la partie fixe et la partie mobile, de préférence ledit moyen d’étanchéité comprenant des joints toriques, joint tournants, et/ou joints quadrilobes.
Avantageusement, ledit moyen d’étanchéité comprend au moins une bague antiextrusion.
Selon un aspect de l’invention, ladite cellule comprend au moins un moyen de guidage, de préférence ledit moyen de guidage comprenant des paliers et/ou des roulements.
Conformément à un mode de réalisation de l’invention, la vitesse de rotation maximale de ladite partie mobile est de 1 tour/s.
L’invention concerne aussi un appareil de caractérisation de fluides en milieu poreux. L’appareil comporte au moins une cellule selon l’une des caractéristiques précédentes et au moins un moyen de mise en rotation de ladite partie mobile, de préférence, ledit moyen de mise en rotation comprend un moteur.
Selon un mode de réalisation avantageux, l’appareil comprend au moins un moyen de tomographie X, ledit moyen de tomographie X étant positionné à l’extérieur de ladite cellule pour caractériser l’écoulement de fluide dans le milieu poreux par tomographie à rayons X.
En outre, l’invention concerne encore un système de caractérisation d’écoulement de mousse en milieu poreux. Le système comprend un appareil de caractérisation selon l’une des caractéristiques précédentes, au moins un réservoir de tensioactifs, au moins un réservoir de gaz et au moins un moyen de moussage en amont de l’entrée de fluide de la partie fixe, ledit moyen de moussage étant disposé entre lesdits réservoirs de tensioactifs et de gaz et ladite entrée de fluide dans ladite partie fixe.
Selon une variante du système selon l’invention, le système comprend un réservoir de liquide en amont dudit système de moussage.
Conformément à une mise en œuvre du système, le système comprend un moyen de récupération et/ou de séparation des fluides après ladite sortie de fluide de ladite partie fixe.
Présentation succincte des figures
D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
La figure 1 illustre une cellule de caractérisation de fluide dans un milieu poreux selon un mode de réalisation de l’invention.
La figure 2 illustre un système de caractérisation de mousse en milieu poreux selon un mode de réalisation de l’invention.
La figure 3 illustre un détail de la cellule selon un mode de réalisation de l’invention, le détail étant situé au niveau de l’interface entre la partie fixe et la partie mobile de la cellule.
La figure 4 illustre une vue de dessus, selon la coupe AA de la figure 3, la coupe AA étant perpendiculaire à l’axe longitudinal de la cellule, au niveau de l’entrée du fluide dans la cellule.
Description détaillée de l'invention
L’invention concerne une cellule de caractérisation de fluides en milieu poreux afin de connaître le comportement statique et/ou dynamique de fluides dans le milieu poreux et/ou de caractériser le milieu poreux avec un ou plusieurs fluides. Elle peut notamment servir afin de connaître le fluide le mieux adapté pour extraire de l’huile d’un réservoir souterrain, pour de l’EOR ou pour l’assainissement de sols contaminés. Cette cellule est particulièrement adaptée à l’étude du comportement de fluides complexes, tels que des mousses par exemple, en milieu poreux.
Le milieu poreux peut être un milieu granulaire ou un échantillon de roche.
Pour cela, la cellule comprend une partie fixe et une partie mobile. Le milieu poreux est inséré dans la partie mobile de manière à pouvoir faire tourner le milieu poreux au cours de l’essai. Cela peut être très intéressant pour caractériser en 3D le fluide dans le milieu poreux, en statique et en dynamique, tout en conservant le moyen d’analyse externe fixe. Le moyen d’analyse externe peut notamment être un moyen de tomographie X capable de reconstruire l’image 3D du milieu poreux et de préférence, il peut être la microtomographie X effectuée au synchrotron.
Ainsi, l’invention permet une rotation continue de l’objet (échantillon de milieu poreux) en présence de fluide.
La partie fixe entoure la partie mobile. Ainsi, la partie mobile est située au centre de la cellule alors que la partie fixe est externe.
La partie fixe comprend une embase supérieure et une embase inférieure, séparées par un corps central. Les embases sont positionnées à proximité des extrémités de la partie fixe. Le corps central est solidaire des embases supérieure et inférieure. De préférence, le corps central fixe peut disposer d’ouvertures, traversant totalement le corps central. Au moins deux ouvertures sont disposées, diamétralement opposées, afin de laisser passer des rayons X qui se déplacent de manière rectiligne, pour l’utilisation de moyens de tomographie à rayons X qui peuvent être placés à l’extérieur de la cellule et de préférence des moyens de microtomographie X réalisée au synchrotron. Ces ouvertures peuvent notamment être formées par des trous oblongs.
Chacune des embases supérieure et inférieure comprennent, soit au moins une entrée de fluide, soit au moins une sortie de fluide, de manière à ce qu’au moins une entrée de fluide soit située sur une des deux embases et à ce qu’au moins une sortie du même fluide soit située sur l’autre embase. Ainsi, les entrées et sorties de fluide sont situées sur la partie fixe de la cellule. La partie mobile, située au centre, peut ainsi tourner de manière continue et infinie, sans gêner les alimentations, notamment les tuyauteries d’alimentation de fluide, connectées à ces entrées/sorties de fluide.
Alternativement, l’une des embases peut comprendre l’entrée et la sortie du fluide, le corps central peut comporter dans ce cas, des moyens pour passer le fluide d’une embase à l’autre après son passage dans la partie mobile.
La partie fixe permet :
- D’alimenter en fluides (gaz et/ou liquide qui peuvent être également sous forme de mousse préformée) le milieu poreux vers la cellule plus facilement sans se soucier du vrillage des tuyauteries d’alimentation de fluides qui se connectent à la cellule depuis des sources extérieures telles que des pompes, des réservoirs etc...
De résister à une pression, sous rotation continue infinie de la partie intérieure rotative, appelée partie mobile. Les embases sont dimensionnées et les matériaux choisis pour résister à la pression.
De plus, la partie fixe peut permettre de réaliser des piquages supplémentaires. Par piquages, on entend des entrées/sorties pour amener d’autres fluides et/ou des emplacements reliés aux moyens de circulation de fluide dans la cellule, ces emplacements permettant par exemple la mise en place de moyens de mesure additionnels, en particulier des mesures de pressions et/ou températures via des capteurs de pressions et/ou de température.
De manière avantageuse, au moins une des embases de la partie fixe peut comprendre au moins un moyen de mesure et de préférence, ce moyen de mesure peut être un moyen de mesure de pression. Cette donnée permet une analyse plus précise des résultats.
Alternativement, le moyen de mesure peut être un moyen de mesure de la température par exemple.
Par ailleurs, les embases évitent les artefacts liés au décalage entre deux rotations inverses et à l’imprécision de l’incrément angulaire qui existent sur certaines solutions de l’art antérieur.
La partie mobile est libre de rotation, par rapport à la partie fixe, autour de son axe longitudinal. La rotation peut être continue et n’est pas définie par un nombre de tours de rotation maximal. Ainsi, la rotation peut être infinie.
De manière préférée, au moins une portion de la partie mobile peut être transparente aux rayons X. De préférence, le matériau de cette portion peut être en PEEK (PolyEtherEtherKetone), en carbone, et/ou matériau composite comprenant des fibres de carbone et autres matériaux de faible densité et faible numéro atomique. Ainsi, la cellule peut notamment être utilisée pour faire de la tomographie à rayons X.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la partie mobile peut comprendre un tube central de diamètre interne compris entre 1 et 10 mm, le tube peut alors recevoir le milieu poreux. Une telle dimension du tube comprenant le milieu poreux permet d’avoir des effets centrifuges négligeables par rapport aux vitesses de circulation du fluide. Ainsi, la rotation de la partie mobile est sans impact significatif sur les résultats.
Selon un autre mode de réalisation de l’invention, la vitesse de rotation de la partie mobile peut être inférieure à 1 tour/seconde . Ainsi, la cellule est particulièrement adaptée à être utilisée pour la tomographie à rayons X, en conservant une rotation continue de la partie mobile, c’est-à-dire sans avoir besoin d’immobiliser la partie mobile pour prendre les images de tomographie. Ainsi, les résultats sont plus fiables et plus précis.
La partie mobile est située à l’intérieur de la partie fixe et permet une rotation continue, tout en assurant la tenue mécanique à la pression . De la même manière que pour la partie fixe, la partie mobile est dimensionnée et les matériaux choisis pour résister à la pression.
Le corps central de la partie fixe peut entourer le tube central de la partie mobile.
La partie fixe et la partie mobile comprennent des moyens de circulation de fluide de manière à ce que le fluide puisse circuler de l’entrée de fluide située sur l’une des embases, vers la sortie de fluide située sur l’autre embase. Ces moyens de circulation peuvent être des canaux réalisés par exemple par perçage dans la masse des embases ou de la partie mobile. En passant dans la partie mobile, le fluide traverse ainsi le milieu poreux. C’est dans cette zone que l’on peut ainsi caractériser l’interaction entre le fluide et le milieu poreux, soit en situation quasi-statique, soit en écoulement afin de comprendre le comportement du fluide et/ou du milieu poreux.
Avantageusement, la cellule peut être conçue pour résister à des pressions internes jusqu’à 35 bar environ (soit 3.5 MPa).
De préférence, les embases supérieure et inférieure, le corps central et la partie mobile peuvent être sensiblement cylindriques et coaxiaux avec l’axe longitudinal de la partie mobile. Ainsi, la construction et le montage sont simplifiés et les artefacts de reconstruction des images sont minimisés.
Avantageusement, les moyens de circulation peuvent comprendre au moins un volume annulaire situé à l’interface entre la partie fixe et la partie mobile, au niveau de chacune des embases supérieure et inférieure. Le volume annulaire ainsi constitué est configuré d’une part pour contenir le fluide dans ce volume et d’autre part, pour permettre la circulation continue du fluide entre la partie fixe et la partie mobile. Cette caractéristique permet de maintenir la partie externe fixe tout en assurant une partie interne mobile. La liaison entre l’entrée ou la sortie de fluide située sur la partie fixe et la sortie ou l’entrée de fluide située sur la partie mobile est assurée en permanence par le volume annulaire, le volume annulaire étant compris entre le diamètre interne de la partie fixe et le diamètre externe de la partie mobile. De cette manière, n’importe quel orifice entrant dans le volume annulaire par la partie fixe ou par la partie mobile est en communication avec n’importe quel orifice sortant du volume annulaire par la partie mobile ou par la partie fixe. Par n’importe quel orifice, on entend notamment n’importe quelle position radiale des orifices.
De préférence, au moins un moyen d’étanchéité peut être utilisé entre la partie fixe et la partie mobile. Ce moyen d’étanchéité peut notamment comprendre des joints toriques, des joints tournants et/ou des joints quadrilobes. De ce fait, les fuites de fluide entre la partie fixe et la partie mobile peuvent être évitées, ce qui permet un fonctionnement optimal de la cellule. De plus, la vitesse de circulation du fluide dans le milieu poreux est ainsi connue plus précisément, ce qui permet une analyse plus efficace des résultats des tests.
Selon un autre mode de réalisation selon l’invention, le moyen d’étanchéité peut également comprendre au moins une bague anti-extrusion. De ce fait, la cellule de test peut être utilisée pour des valeurs de pression relativement élevées, jusqu’à 35 bar environ, sans risque de fuite engendrant une impossibilité de circulation du fluide dans le milieu poreux, une impossibilité de rotation de la partie mobile qui pourrait être gênée par une extrusion d’un joint, ou bien un risque d’erreur d’analyse des résultats induits par la présence de ces fuites.
Selon une variante de l’invention, la cellule peut comprendre un moyen de guidage. Ce moyen peut par exemple comprendre des paliers et/ou des roulements. De ce fait, le guidage en rotation de la partie mobile dans la partie fixe, autour d’un axe de rotation est amélioré. Ainsi, la durée de vie de l’ensemble est améliorée et les efforts de frottements entre la partie fixe et la partie mobile sont réduits.
Ainsi, la cellule selon l’invention permet une plus grande facilité d’utilisation et surtout une plus grande précision de la position angulaire du fait de sa possibilité de rotation continue. L’imprécision liée aux variations de vitesse et/ou aux arrêts lors de la rotation est considérablement réduite par la rotation continue de la partie mobile. Elle est composée de deux parties mécaniquement isolées permettant de contrôler la rotation interne du milieu poreux avec une très grande précision, tout en maintenant sa partie externe fixe, également appelée partie fixe. Des moyens de mesure externe peuvent être utilisées, comme un dispositif de tomographie à rayons X ou de microtomographie X réalisée au synchrotron. Comme la partie mobile dans laquelle est contenue le milieu poreux est en rotation, les moyens de mesure externes peuvent être fixes, ce qui facilite leur mise en oeuvre.
L’invention concerne également un appareil de caractérisation de fluides en milieu poreux comportant au moins une cellule selon l’une des caractéristiques précédentes et au moins un moyen de mise en rotation de la partie mobile. Le moyen de mise en rotation peut notamment comprendre un moteur (par exemple une machine électrique). Ainsi, l’appareil peut gérer une rotation continue induite par le moyen de mise en rotation.
Selon un autre mode de réalisation de l’appareil de caractérisation selon l’invention, l’appareil peut également comprendre au moins un moyen de tomographie à rayons X (appelé aussi moyen de tomographie X). Ce moyen de tomographie X est alors positionné à l’extérieur de la cellule pour caractériser l’écoulement de fluide dans le milieu poreux par tomographie à rayons X. De ce fait, le moyen de tomographie X est orienté de manière à ce que les rayons X soient dirigés depuis ce moyen de tomographie X vers le milieu poreux. Ce moyen de tomographie X peut être de préférence un moyen de microtomographie X effectuée au synchrotron qui permet des résolutions spatiales inférieures au micromètre et des résolutions temporelles de l’ordre de la seconde.
L’utilisation de la cellule telle que décrite précédemment dans l’appareil de caractérisation comprenant un moyen de tomographie X est particulièrement intéressante. En effet, la cellule objet de l’invention permet à l’appareil de caractérisation d’avoir des résolutions spatiales et temporelles correspondantes à celle du moyen de tomographie X : autrement dit, la cellule en elle-même ne limite pas les résolutions spatiales et temporelles que l’on pourrait obtenir avec le moyen de tomographie X seul. De préférence, le moyen de tomographie X est un moyen de microtomographie X effectuée au synchrotron. Ainsi, la résolution spatiale de l’appareil de caractérisation peut être inférieure au micromètre et la résolution temporelle inférieure à la seconde.
L’invention concerne aussi un système de caractérisation d’écoulement de mousse en milieu poreux. Ce système comprend alors un appareil de caractérisation selon l’une des caractéristiques définies précédemment, ainsi qu’au moins un réservoir de tensioactifs, au moins un réservoir de gaz, et au moins un moyen de moussage. Le moyen de moussage est situé en amont de l’entrée de fluide de la partie fixe, entre les réservoirs de tensioactifs et de gaz et l’entrée de fluide dans la partie fixe de l’appareil de caractérisation. L’ajout de tensioactifs permet de faciliter le moussage d’une part et de maintenir la mousse une fois obtenue. D’autre part, les tensioactifs sont particulièrement intéressants pour augmenter les performances de récupération d’huiles dans le cas d’applications EOR. Ainsi, l’appareil peut permettre de caractériser l’influence du tensioactif en écoulement dans le milieu poreux, notamment dans un but de récupération d’huiles.
D’autres moyens, pour faciliter l’obtention des mousses, pourraient être utilisés, soit à la place des tensioactifs, soit en combinaison avec les tensioactifs : il s’agit par exemple, de molécules comme les polymères ou les nanoparticules.
Selon une variante de l’invention, le système de caractérisation peut également comprendre un réservoir de liquide. Ce réservoir est alors situé en amont du système de moussage. L’ajout de liquide permet par exemple de faciliter certaines mesures.
Selon une autre variante de l’invention, le système de caractérisation peut également comprendre un moyen de récupération et/ou de séparation des fluides après la sortie de fluide de la partie fixe. De ce fait, les fluides peuvent d’une part, être traités si besoin, et d’autre part, éventuellement être réutilisés, ce qui permet de réduire les quantités de liquide et gaz utilisées lors des essais.
La figure 1 illustre, de manière schématique et non limitative, une coupe longitudinale de la cellule 100 selon un mode de réalisation de l’invention.
La cellule 100 comprend une partie fixe et une partie mobile en rotation. La partie fixe comprend notamment une embase supérieure 1, une embase inférieure 1’ et un corps central 2. Elle peut également comprendre aussi des plaques 3, chacune à l’extrémité de chaque embase. L’embase supérieure 1, l’embase inférieure 1’ et le corps central 2 sont sensiblement cylindriques et coaxiaux avec l’axe du corps central. Le corps central 2 est fixé rigidement à l’une de ses extrémités à l’embase supérieure 1 et à l’autre extrémité à l’embase inférieure 1’. Des vis de fixations 17 équipées par exemple de rondelles 18, servent à fixer rigidement les embases 1 ou 1 ’ avec le corps central 2, le corps central 2 disposant à chaque extrémité de brides, le diamètre externe de ces brides étant nettement supérieur que le diamètre externe du corps central 2, dans la zone située en dehors de ces brides, et éventuellement avec les plaques d’extrémités 3.
Le corps central 2 peut comprendre deux ouvertures diamétralement opposées non représentées sur la figure 1. Ces ouvertures sont par exemple constituées par des trous oblongs traversant totalement la paroi du corps central 2. Ainsi, le corps central ne nécessite pas d’être réalisé dans un matériau transparent aux rayons X, qui pourrait représenter un coût important. Ces ouvertures oblongues sont utiles lorsqu’un moyen de tomographie à rayons X est utilisé à l’extérieur de la cellule pour caractériser le comportement du fluide dans le milieu poreux. L’émetteur et le récepteur du moyen de tomographie peuvent alors être placés de part et d’autre de la cellule de manière à ce que les rayons X puissent passer à travers ses ouvertures oblongues.
La partie mobile comprend un tube central 9, et deux cylindres 7, positionnés aux extrémités du tube central 9. Le tube central 9 comprend le milieu poreux à tester. Le milieu poreux peut être un milieu granulaire comme par exemple un échantillon de roche. Les vis 16 servent à fixer rigidement le tube central 9 avec les cylindres 7, de manière à permettre une rotation commune de ces pièces. L’un des deux cylindres 7 est également en liaison directe avec un plateau 6, le plateau 6 pouvant être mis en rotation par un moyen de mise en rotation tel qu’un moteur, un système de courroie ou chaîne. Ainsi, la mise en rotation du plateau 6 entraîne les cylindres 7 et le tube central 9 en rotation. Cette rotation à l’intérieur de la partie fixe est notamment possible grâce à la présence de paliers 13 pouvant être des roulements, comme sur la figure 1, ou des paliers lisses. Ces paliers 13 sont positionnés entre les embases 1 ou T et les cylindres 7. De préférence, ces paliers 13 sont le plus éloigné possible l’un de l’autre pour améliorer le guidage. Ainsi, les paliers sont positionnés aux extrémités longitudinales de la partie fixe, sur les embases supérieure 1 et inférieure T, augmentant ainsi la distance entre ces deux paliers 13.
Au niveau de l’embase inférieure T, le palier est retenu longitudinalement par une partie du plateau 6 pour laquelle le diamètre externe du plateau 6 juste au-dessous du palier 13, dans le sens longitudinal, est supérieur au diamètre interne du palier 13.
Au niveau de l’embase supérieure 1, le palier 13 est retenu longitudinalement par une rondelle 12 dont le diamètre externe est supérieur au diamètre interne du palier 13, empêchant ainsi le palier de se déplacer longitudinalement. La rondelle 12 est elle-même maintenue en position contre le cylindre 7 par la vis 11.
A chaque extrémité du tube central 9, sont disposés des cerclages de tamis 10 qui ont pour but de fixer un tissu perméable sur le tube central n°9 afin d’empêcher les grains de se déverser dans les canalisations des parties fixes et donc de les boucher.
Les embases inférieure T et supérieure 1 comprennent chacune au moins un raccord 19 permettant une entrée et/ou une sortie de fluide. Préférentiellement, l’entrée de fluide se fait par au moins un raccord 19 sur une des embases inférieure et supérieure et la sortie de fluide se fait par au moins un raccord 19 sur l’autre des embases inférieure et supérieure.
Les embases supérieure 1 et inférieure T disposent de moyens de circulation de fluide (non visibles sur la figure 1) permettant au fluide arrivant d’un raccord 19 et repartant par un autre raccord 19 de circuler dans la cellule 100, en passant par les embases puis par la partie mobile. Ces moyens de circulation de fluide peuvent notamment être créés par des perçages radiaux depuis le raccord 19. En arrivant à l’interface entre l’embase supérieure 1 ou inférieure T et la partie mobile, le fluide remplit un volume annulaire d’une gorge créée par une augmentation locale du diamètre interne de I’embase 1 ou 1’. Dans le sens longitudinal, de chaque côté de la gorge, sont disposés des joints 4 évitant au fluide de fuir dans l’espace du jeu entre la partie fixe et la partie mobile (c’est-à-dire entre le cylindre 7 et l’embase supérieure 1 ou l’embase inférieure 1 j. Des bagues anti-extrusion 5 peuvent être ajoutées pour éviter aux joints 4 de s’extruder. Cet ajout est indispensable lorsque la pression est élevée.
Le fluide contenu dans le volume annulaire créée par la gorge est en communication avec des moyens de circulation de fluide contenue dans la partie mobile. Par exemple, ces moyens de circulation sont un perçage radial dans le cylindre 7, en communication avec le volume annulaire de la gorge. Ce perçage radial est lui-même en communication avec un perçage longitudinal et de préférence axial, dans le cylindre 7. Le perçage longitudinal du cylindre 7 est lui-même en communication avec un perçage longitudinal, de préférence, un perçage axial, dans le tube 9, le perçage longitudinal du tube central 9 traversant aux deux extrémités du tube central 9. Ainsi, le fluide peut s’acheminer depuis une entrée par un raccord 19 de l’une des embases inférieure 1’ et supérieure 1, vers le volume annulaire de la gorge, puis se déplaçant longitudinalement, de préférence axialement, vers l’autre des embases supérieure 1 et inférieure 1’, en passant vers le volume annulaire induit par la gorge de l’autre des embases inférieure l’et supérieure 1, en quittant cette embase par un raccord 19.
Les joints 4 peuvent être des joints quadrilobes, des joints toriques, ou des joints tournants, en fonction du type de fluide utilisé, de la pression du fluide, et de la vitesse de circulation du fluide.
Des joints statiques 14 sont utilisés au niveau de la liaison entre le tube central 9 et les cylindres 7. Ils servent à éviter une fuite de fluide au niveau de l’espace représenté par le jeu entre le tube central 9 et le cylindre 7.
Le tube central 9, qui contient le milieu poreux, est de préférence fabriqué à partir d’un matériau transparent aux rayons X, de manière, par exemple, à rendre possible la tomographie X de l’écoulement du fluide dans le milieu poreux.
La figure 3 représente, de manière schématique et non limitative, un zoom de figure 1 au niveau de l’interface entre l’embase supérieure et le cylindre 7. Sur cette figure, les références de même numérotation que celle de la figure 1 correspondent aux mêmes éléments et ne seront pas nécessairement re-détaillés.
Sur cette figure, l’embase 1 dispose d’une gorge au niveau de son diamètre intérieur. Cette gorge forme alors un volume annulaire 25. Ce volume annulaire 25 est sensiblement au droit des raccords 19. Ainsi, un perçage radial depuis l’orifice correspondant au raccord 19 jusqu’à la gorge formant le volume annulaire 25 est possible.
De part et d’autre du volume annulaire 25, dans le sens longitudinal, des joints 4 sont utilisés, évitant ainsi la perte de fluide dans le jeu induit par l’espace situé entre le cylindre 7 et l’embase supérieure 1.
Le cylindre 7 comporte un perçage radial 30 qui est en communication avec le volume annulaire 25. Grâce à la présence du volume annulaire 25, lors de la rotation de la partie mobile, quelle que soit l’orientation angulaire du perçage radial 30 au cours de la rotation, le fluide peut toujours circuler de la partie fixe à la partie mobile. De plus, la rotation ainsi produite peut être infinie : il n’y a pas de nombre de tours de rotation maximum de la partie mobile par rapport à la partie fixe. Cette particularité présente un réel avantage pour la caractérisation de l’écoulement de fluide dans un milieu poreux.
Le perçage radial 30 communique lui-même avec un perçage longitudinal, de préférence axial, 35 dans le cylindre 7. Ce perçage longitudinal 35 est ensuite coaxial, avec un perçage longitudinal, de préférence axial, dans le tube central 9.
La figure 4 illustre de manière schématique et non limitative, une vue de dessus, au niveau de la coupe AA identifiée sur la figure 3 au droit du raccord 19 de la figure 3.
Sur cette figure, l’embase 1 dispose de trois entrées (ou sortie mais par la suite, elles seront par souci de simplicité uniquement désigner comme entrée) de fluide. Le nombre d’entrées pourraient être différent de trois. Le fluide est alors guidés par les canaux 40, les canaux 40 étant radiaux ou sensiblement radiaux, vers le volume annulaire 25.
Trois raccords 19 sont mis en place, chacun en connexion avec l’un des trois canaux 40, mais d’autres configurations sont possibles.
Le volume annulaire 25 sert lui-même d’entrée de fluide vers trois perçages radiaux 30 guidant le fluide vers le perçage axial 35. Le nombre de canaux pourraient être différent de trois.
Par cette figure 4, on comprend que, quelle que soit la position radiale des perçages radiaux 30 induite par la rotation de la partie mobile dans la partie fixe, la communication de fluide entre les canaux 40 de la partie fixe et les perçages radiaux 30 de la partie mobile est assurée.
La figure 2 illustre, de manière schématique et non limitative, un système de caractérisation d’écoulement de mousse en milieu poreux 200.
Le système de caractérisation 200 comprend une cellule de caractérisation de fluides en milieu poreux 100 par exemple la cellule de la figure 1.
En amont de la cellule 100, le système comprend un réservoir de liquide R1, un réservoir de gaz R2. Il comprend également un réservoir R3 de tensio-actifs. La présence de tensioactifs permet de faciliter la création de mousse et de stabiliser le mélange sous forme de mousse. Un mousseur M1 est utilisé en amont de l’entrée de fluide dans la cellule 100, l’entrée de fluide se faisant ici par l’embase supérieure.
Le mousseur M1 utilise au moins une entrée provenant du réservoir R1 permettant l’entrée de liquide dans le mousseur M1, et au moins une entrée provenant du réservoir R2 permettant l’entrée de gaz dans le mousseur M1. Le mousseur M1 comprend également une entrée provenant du réservoir R3 permettant l’ajout de tensioactifs au mélange introduit dans le mousseur M1. D’autres systèmes pourraient être ajoutés pour faciliter le moussage.
Des pompes P1 et P3 peuvent être positionnées entre les réservoirs R1 et R3 et le mousseur M1 de manière à d’une part faciliter l’introduction des fluides et d’autre part à contrôler le débit et les caractéristiques des fluides introduits. Alternativement, les débits de liquides, tensioactifs et d’autres fluides en écoulement peuvent être contrôlés par d’autres moyens connus par l’homme du métier.
De la même manière, un débitmètre P2 peut être positionné entre le réservoir de gaz R2 et le mousseur M1, permettant le contrôle de la phase gazeuse introduite dans le mousseur M1. Alternativement, le débit de gaz peut être contrôlé par d’autres moyens connus par l’homme du métier, tels qu’une pompe.
En sortie de la cellule 100, la mousse est récupérée dans le réservoir B1. Alternativement, il pourrait être intéressant de séparer le gaz et le liquide de la mousse et de les récupérer dans deux réservoirs distincts.
Le système 200 comprend également un émetteur de rayons X D1 et un récepteur de rayons X D2. L’émetteur D1 et le récepteur D2 sont situés de part et d’autre de la cellule 100 et ils sont orientés pour que les rayons X, matérialisés par les flèches en traits mixtes, traverse le corps central de la partie fixe, de préférence par des ouvertures dans le corps central, les ouvertures dans le corps central traversant totalement la paroi du corps central pour laisser passer les rayons X. Les ouvertures sont diamétralement opposées afin que les rayons X arrivant de l’émetteur puissent atteindre la partie mobile d’une part et que les rayons X sortant de la partie mobile puissent atteindre le récepteur d’autre part. Les rayons X traversent aussi le tube central de la partie mobile pour atteindre la zone d’écoulement du fluide dans le milieu poreux, contenu dans le tube central et permettre ainsi la caractérisation du fluide dans le milieu poreux.
De préférence, l’émetteur D1 et le récepteur D2 sont fixes au moment de la tomographie X, comme la partie fixe de la cellule 100 et seule la partie mobile de la cellule
100 peut se déplacer en rotation, permettant ainsi une tomographie à rayons X, en maintenant une rotation continue.
Exemple d’application :
Le système de caractérisation selon l’invention, correspondant au schéma de la figure 2 a été utilisé pour caractériser l’injection de mousse dans un milieu poreux.
La mousse est générée dans le mousseur à partir d’un gaz azote N2 de qualité standard, d’un liquide constitué d’une saumure et de tensioactifs SDS (Sodium dodecyle sulfate). Cette application concerne l’EOR (Enhanced Oil Recovery).
La mousse est injectée dans le milieu granulaire à un débit total de 10ml/h. La pression atteinte lors des essais est d’environ 30 bars, soit 3 MPa. La vitesse de rotation est 1 tour/s.
Le tube central 9 de la partie mobile de la microcellule est rempli préalablement avec un milieu granulaire contenant des grains de SiO2 avec une distribution granulométrique en taille allant de 112 à 150pm.
Les acquisitions tomographiques, réalisées par un moyen de microtomographie X effectuée au synchrotron, réalisées avec le tube central en rotation contenant la mousse au sein du milieu granulaire ont permis d’obtenir des images de très hautes résolutions (1s de résolution temporelle et 0.55pm de résolution spatiale), de manière continue sans interruption ni de l’écoulement, ni de l’acquisition, ce qui améliore la précision des résultats d’une part et réduit le temps d’essais d’autre part.
Ces expériences montrent la faisabilité d’analyse d’écoulements de fluides complexes dans un milieu poreux, tel qu’un milieu granulaire, à l’aide de cette cellule et du système de caractérisation et notamment la possibilité de décrire des écoulements de mousses au sein du réseau poreux tridimensionnel.

Claims (15)

  1. Revendications
    1) Cellule de caractérisation de fluides en milieu poreux (100) comprenant une partie fixe et une partie mobile, ladite partie mobile recevant le milieu poreux, ladite partie fixe entourant ladite partie mobile, ladite partie fixe comprenant une embase supérieure (1), une embase inférieure (1’) et un corps central (2), une entrée de fluide étant comprise dans l’une desdites embases (1, 1’) et au moins une sortie de fluide étant comprise dans l’une desdites embases (1, 1’), ladite partie fixe et ladite partie mobile comprenant des moyens de circulation de fluide (25, 30, 35, 40) depuis l’entrée vers la sortie en passant par ledit milieu poreux contenu dans ladite partie mobile, caractérisée en ce que ladite partie mobile est libre de rotation autour de son axe longitudinal par rapport à ladite partie fixe.
  2. 2) Cellule selon la revendication 1, dans laquelle lesdites embases supérieure (1) et inférieure (1’), ledit corps central (2) et ladite partie mobile sont sensiblement cylindriques, lesdites embases supérieure (1) et inférieure (1’), ledit corps central (2) et ladite partie mobile étant coaxiaux avec l’axe longitudinal de ladite partie mobile.
  3. 3) Cellule selon la revendication 2, dans laquelle lesdits moyens de circulation (25, 30, 35, 40) comprennent au moins un volume annulaire (25) situé à l’interface entre la partie fixe et la partie mobile, au niveau de chacune desdites embases supérieure (1) et inférieure (1’), ledit volume annulaire (25) étant configuré pour contenir ledit fluide et pour la circulation dudit fluide entre la partie fixe et la partie mobile.
  4. 4) Cellule selon l’une des revendications précédentes, pour lequel au moins une portion de ladite partie mobile est transparente aux rayons X, de préférence le matériau de ladite portion est en PolyEtherEtherKetone(PEEK) ou en carbone et/ou en matériau composite comprenant des fibres de carbone .
  5. 5) Cellule selon l’une des revendications précédentes, pour lequel ladite partie mobile comprend un tube central (9) de diamètre interne compris entre 1 et 10 mm, ledit tube central (9) recevant ledit milieu poreux.
  6. 6) Cellule selon l’une des revendications précédentes, dans lequel au moins une desdites embases (1, 1’) de ladite partie fixe comprend au moins un moyen de mesure, de préférence ledit moyen de mesure est un moyen de mesure de pression et/ou de température.
  7. 7) Cellule selon l’une des revendications précédentes, comprenant au moins un moyen d’étanchéité (4) entre la partie fixe et la partie mobile, de préférence ledit moyen d’étanchéité comprenant des joints toriques, joint tournants, et/ou joints quadrilobes.
  8. 8) Cellule selon la revendication 7, pour lequel ledit moyen d’étanchéité (4) comprend au moins une bague anti-extrusion (5).
  9. 9) Cellule selon l’une des revendications précédentes, comprenant au moins un moyen de guidage (13), de préférence ledit moyen de guidage (13) comprenant des paliers et/ou des roulements.
  10. 10) Cellule selon l’une des revendications précédentes, pour lequel la vitesse de rotation maximale de ladite partie mobile est de 1 tour/s.
  11. 11) Appareil de caractérisation de fluides en milieu poreux caractérisé en ce que l’appareil comporte au moins une cellule (100) selon l’une des revendications précédentes et au moins un moyen de mise en rotation de ladite partie mobile, de préférence, ledit moyen de mise en rotation comprend un moteur.
  12. 12) Appareil selon la revendication 11, comprenant au moins un moyen de tomographie X, ledit moyen de tomographie X étant positionné à l’extérieur de ladite cellule (100) pour caractériser l’écoulement de fluide dans le milieu poreux par tomographie à rayons X.
  13. 13) Système de caractérisation d’écoulement de mousse en milieu poreux caractérisé en ce que le système comprend un appareil de caractérisation selon l’une des revendication 11 ou 12, au moins un réservoir de tensioactifs (R3), au moins un réservoir de gaz (R2) et au moins un moyen de moussage (M1) en amont de l’entrée de fluide de la partie fixe, ledit moyen de moussage (M1) étant disposé entre lesdits réservoirs de tensioactifs (R3) et de gaz (R2) et ladite entrée de fluide dans ladite partie fixe.
  14. 14) Système selon la revendication 13 comprenant un réservoir de liquide (R1) en amont dudit système de moussage (M1).
  15. 15) Système selon les revendications 13 ou 14 comprenant un moyen de récupération (B1) et/ou de séparation des fluides après ladite sortie de fluide de ladite partie fixe.
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